摘 要

利用细菌表面展示技术，可以在细菌表面展示特定的功能性蛋白质，将细菌作为一个微反应器来帮助蛋白质发挥作用。本文利用锚定蛋白（冰晶核蛋白INP）将硅化相关蛋白（Silaffin蛋白和Silicatein蛋白）展示在细菌表面，通过异丙基-β-D-硫代吡喃半乳糖苷（IPTG）诱导重组蛋白（INPSiliSila）的表达，并对诱导条件进行优化，之后对重组菌进行了细菌表面展示的矿化研究。

以这种表面展示有SiliSila的细菌作为生物模板合成氧化铝材料。 纳米结构氧化铝粉末是可用于许多领域的最有希望的纳米材料之一，但制备的困难限制其广泛的用途。 在本研究中，我们研究了表面展示硅蛋白的细菌对纳米结构氧化铝粉末制备的影响。结果显示硅酸盐和硅烷具有聚集铝的功能，而铝的沉积有利于细菌的形态维持。加入细菌后，制备得到的 Al₂O₃粉末的SEM结果显示平均粒径小，粒度分布均匀，这表明该生物支架方法是纳米结构氧化铝粉末的有前景的制备方法。

在材料的功能测试中，本实验所制备的氧化铝材料也比普通条件下制备的材料显示出更优异的吸附性能，为环境保护领域中有机废物的处理及重金属的降解提供新的思路方法。

关键词：细菌表面展示，INP，Silicatein，Silaffin，生物矿化，氧化铝纳米材料，吸附

Abstract

Bacterial surface display technology, can be used to display specific functional protein on the surface of bacteria, which then can act as a micro-reactor to play the role of protein.Utilizing molecular biology techniques, we combined two kinds of silicon protein, Silaffin and Silicatein, and displayed them on the surface of E. coli by INP. The recombinant protein (INPSiliSila) was induced by Isopropyl-β-D-thiogalactopyranoside (IPTG) for expression. After optimizing the expression conditions, we can obtain E. coli with high the expression rate of protein.

Synthesized alumina materials using this surface display SilliSila bacteria as a template.nanostructured alumina powders are one of the most promising nanomaterials that can be used in many fields, but the difficulties of preparation restrain its broad usage. In the present study, we investigated the effect of bacteria, silicatein and silaffin on preparation of nanostructured alumina powders. SEM revealed that silicatein and silaffin have the function of aggregating aluminum and the deposition of aluminum was good for morphology maintenance. The SEM results of prepared Al₂O₃ powders with adding bacteria exhibited small average size and uniformed size distribution, which suggested this biological scaffold approach was a promising fabrication method of nanostructured alumina powder.

In the functional test of the material, the alumina material prepared in this experiment also shows more excellent adsorption performance than the material under ordinary conditions, providing new ideas and methods for the treatment of organic waste and the degradation of heavy metals in the field of environmental protection.

Key words：bacterial surface display, INP, Silicatein, Silaffin ,aluminum oxide,adsorption

目录

第1章 绪论 1

1.1 细菌表面展示 1

1.1.1 细菌表面展示的意义 1

1.1.2 细菌表面展示体系的结构组成 2

1.1.3 冰晶核蛋白 3

1.2 生物矿化 4

1.2.1 生物矿化的形式 4

1.2.2 生物矿化的应用 6

1.2.3 矿化相关蛋白 7

1.3 氧化铝纳米材料 7

1.3.1纳米氧化铝 7

1.3.2纳米氧化铝的制备方法 7

1.4 研究意义、内容 8

1.4.1 研究目的和意义 8

1.4.2 主要研究内容 9

第2章 实验材料及方法 10

2.1实验试剂及仪器 10

2.2培养基配制 13

2.3重组菌的菌种保藏 13

2.4重组蛋白的诱导表达 13

2.5重组蛋白的诱导表达条件的优化 14

2.5.1 IPTG浓度条件优化 14

2.5.2 IPTG诱导表达时间优化 15

2.6细菌表面矿化 15

2.7氧化铝材料的吸附功能测试 15

第3章 细菌表面展示体系的优化表达和细菌表面矿化 17

3.1 引言 17

3.2 IPTG诱导时间优化 17

3.3 IPTG诱导浓度优化 18

3.4重组蛋白的最优表达 19

3.5细菌表面的氧化铝矿化 20

3.5.1细菌表面的铝沉积 20

3.5.1细菌对氧化铝沉淀形成的影响 21

3.6本章小结 23

第4章 基于细菌表面展示系统的氧化铝材料的合成与应用 24

4.1 引言 24

4.2氧化铝材料的吸附功能测试 24

4.2.1有机物吸附测试 24

4.2.2无机物吸附测试 26

4.3小结 27

第5章 总结与展望 28

5.1 总 结 28

5.2 展 望 28

参考文献 30

致 谢 33

绪论

本文的目的是利用细菌表面展示系统，将能够指导矿化的硅蛋白展示在大肠杆菌的表面，利用硅蛋白的诱导催化作用使氧化铝材料沉积在大肠杆菌表面，从而实现大肠杆菌的矿化及控制材料合成的形貌，并对制备的氧化铝材料进行了有机物和重金属离子的吸附性能测试。因此，本章主要对细菌表面展示体系、生物矿化以及氧化铝纳米材料的背景做了调查论述。

细菌表面展示

1.1.1 细菌表面展示的意义

细菌细胞表面展示，通常是指利用DNA重组技术，将编码外源功能蛋白的基因与宿主细胞的锚定结构域的编码基因融合。融合蛋白可以在锚定基序引导下，在宿主细胞中表达、分泌并锚定在细胞膜上，实现细胞表面展示，蛋白可以维持原有的构象和生物学功能，具备生物诱导催化的活性，从而以达到目的功能蛋白的研究或应用的目的^[1]。简而言之，就是利用DNA重组技术在细菌表面表达和定位外源功能蛋白，以达到一定的研究和应用目的。由于载体的多样性和多功能性，可根据不同的需求呈现特定的蛋白或多肽。近几十年年，细菌表面展示技术得到了快速的发展，在全细胞催化剂^[2]、全细胞吸附剂^[3]、重组细菌疫苗^[4]、抗原表位分析^[5]、多肽库筛选、环境中有毒物的降解^[6]、环境的修复、口服疫苗^[7]等多个领域得到广泛应用。细菌表面展示的部分应用见图1.1^[1]。